精密排污泵的基本原理及其控制方法
2018-09-11 16:33:32
作為流體精密計量與投加的理想設備，排污泵如今已被廣泛地應用于包括制藥、食品飲料和石油化工行業(yè)在內的各個領域，在工藝過程擔負著強腐蝕性、毒害性、高粘性和高壓介質的計量添加任務。經過超過半個世紀的實踐應用和技術改進，現在排污泵已經進入其高速增長期。現在，成熟的動力驅動方式和液體輸送端(泵頭)材料技術使得新型排污泵幾乎可以完成輸送任何常規(guī)和特殊介質的要求，其工作壓力和容量亦能滿足工業(yè)生產的絕大多數要求。隨著人們對生產工藝過程指標和自動化程度要求的普遍提高，作為化學藥劑計量和添加環(huán)節(jié)的最終執(zhí)行機構，排污泵的安全性和可控制性變得日益重要起來。石油化工等行業(yè)向來以生產過程的高度自動化而著稱，也是集散式、分布式和智能式計算機控制系統(tǒng)應用最廣泛的領域之一，因而要求與之相配套的執(zhí)行器——排污泵亦要具備靈活多樣的控制模式，可以方便地與計算機系統(tǒng)構成各種控制回路，實現更復雜更精確的過程控制。為順應這一新的趨勢，國際上著名的排污泵制造商如德國普羅名特公司在保證其產品傳統(tǒng)性能繼續(xù)領先世界的同時，借助于嵌入式微處理器系統(tǒng)，將多種調節(jié)控制功能和數據通訊協(xié)議(protocol)整合到排污泵中，真正實現了從沖程頻率到沖程長度的雙維調節(jié)，使其產品成為世界首創(chuàng)的智能精密排污泵。
二、排污泵的基本工作原理
眾所周知，排污泵主要由動力驅動、流體輸送和調節(jié)控制三部分組成。動力驅動裝置經由機械聯(lián)桿系統(tǒng)(system)帶動流體輸送隔膜(活塞)實現往復運動：
隔膜(活塞)于沖程的前半周將被輸送流體吸入并于后半周將流體排出泵頭;所以，改變沖程的往復運動頻率或每一次往復運動的沖程長度即可達至調節(jié)流體輸送量之目的。精密的加工精度保證了每次泵出量進而實現被輸送介質的精密計量。
因其動力驅動和流體輸送方式方法的不同，排污泵可以大致劃分成柱塞式和隔膜式兩大種類。
2.1、柱塞排污泵
主要有普通有閥泵和無閥泵兩種。上海凱泉如安裝過高，則不吸水；此外，由于山區(qū)比平原大氣壓力低，因此同一臺水泵在山區(qū)，特別是在高山區(qū)安裝時，其安裝高度應降低，否則也不能吸上水來。柱塞式排污泵因其結構簡單和耐高溫高壓等優(yōu)點而被一般應用于石油化工領域。針對高粘度介質在高壓力工況下普通柱塞泵的不足，一種無閥旋轉柱塞式排污泵受到愈來愈多的重視，被廣泛應用于糖漿、巧克力和石油添加劑等高粘度介質的計量添加。因被計量介質和泵內潤滑劑之間無法實現完全隔離這一結構性缺點，柱塞式排污泵在高防污染要求流體計量應用中受到諸多限制。
2.2、隔膜排污泵
顧名思義，隔膜式排污泵利用特殊設計加工的柔性隔膜取代活塞，在驅動機構作用下實現往復運動，完成吸入-排出過程。由于隔膜的隔離作用，在結構上真正實現了被計量流體與驅動潤滑機構之間的隔離。高科技的結構設計和新型材料(Material)的選用已經大大提高了隔膜的使用的時長，加上復合材料優(yōu)異的耐腐化侵蝕 特性，隔膜式排污泵目前已經成為流體計量應用中的主力泵型。在隔膜式排污泵家族成員里，液力驅動式隔膜泵由于采用了液壓油均勻地驅動隔膜，克服了機械直接驅動方式方法下泵隔膜受力過分集中的缺點，提升了隔膜壽命和工作壓力上限。為了克服單隔膜式排污泵可能出現的因隔膜破損而造成的工作故障，有的排污泵配備了隔膜破損傳感器，實現隔膜破裂時自動連鎖保護;具有雙隔膜結構泵頭的計量進一步提高了其安全性，適合對安全保護特別敏感的應用場合。
作為隔膜式排污泵的一種，電磁驅動式排污泵以電磁鐵產生脈動驅動力，省卻了電機和變速機構，使得系統(tǒng)小巧緊湊，是小量程低壓排污泵的重要分支。
現在，精密排污泵技術已經非常成熟，其流體計量輸送能力最大可達0-100,000l/h，工作壓力最高達4000 bar，工作范圍覆蓋了工業(yè)生產所有領域的要求。
三、排污泵的控制（control)
排污泵每一次的流體泵出量決定了其計量容量。上海凱泉如安裝過高，則不吸水；此外，由于山區(qū)比平原大氣壓力低，因此同一臺水泵在山區(qū)，特別是在高山區(qū)安裝時，其安裝高度應降低，否則也不能吸上水來。在一定的有效隔膜面積下，泵的輸出流體的體積流量正比與沖程長度L和沖程頻率F：V∝A*F*L
在計量介質和工作壓力確定情況下，通過調節(jié)沖程長度L和沖程頻率F即可實現對排污泵輸出的雙維調節(jié)。
盡管沖程長度和頻率(frequency)都可以作為調節(jié)變量，但在工程應用中一般將沖程長度視為粗調變量，沖程頻率為細調變量：調節(jié)沖程長度至一定值，然后通過改變其頻率實現精細調節(jié)，增加調節(jié)的靈活性。凱泉泵業(yè)由此可見，若離心泵葉輪不斷旋轉，則可連續(xù)吸水、壓水，水便可源源不斷地從低處揚到高處或遠方。綜上所述，離心泵是由于在葉輪的高速旋轉所產生的離心力的作用下，將水提向高處的。在相對簡單的應用場合，亦可以手動設置沖程長度，僅將沖程頻率作為調節(jié)變量，從而簡化系統(tǒng)配置。
3.1、常規(guī)模擬/開關信號調節(jié)方式方法
過程控制（control)應用中廣泛采用0/4-20mA模擬電流信號作為傳感器、控制器和執(zhí)行機構間信號交換的標準，具有外控功能的排污泵亦主要采用這種方式，實現對沖程頻率和沖程頻率的外部調節(jié)。
位置式伺服機構是實現沖程長度調節(jié)的最普遍方法。一體化的伺服機構被設計成能夠直接接受來自調節(jié)器或計算機的0/4-20mA控制信號，從而自動調節(jié)沖程長度在0-100%范圍內變化。
相對而言實現沖程頻率調節(jié)的方法比較多樣，主要有變頻電機控制（control)和直接繼電觸點控制兩種。經由0/4-20mA電流信號控制的變頻調速器驅動排污泵電動機按所需速度運行，從而實現沖程頻率的調節(jié)。對于電磁驅動和部分電機驅動的排污泵，亦可以利用外部觸點信號來調節(jié)沖程頻率。
3.2、基地式控制方式
在某些特殊場合，如氫離子濃度指數調節(jié)，排污泵作為執(zhí)行器，在調節(jié)器的控制（control)下添加酸或堿。為簡化系統(tǒng)配置和提高可靠性，以微處理器為核心的嵌入式控制系統(tǒng)被直接集成到排污泵內，如此只需外接一支pH傳感器，即可構成完整的調節(jié)系統(tǒng)。這種基地式智能排污泵概念也適用于控制其它工藝參數，如氧化還原電位(ORP)和余氯濃度調節(jié)等應用場合。
3.3、設定程序式控制
由于內部集成了微處理計算機，一些排污泵產品的調控性能和操作性能得到了充分提升，在跟隨外部控制命令實現實時計量流量調節(jié)之外，還具有定量添加，時間序列觸發(fā)程序式添加，事件序列觸發(fā)程序式添加，時間-事件混合觸發(fā)程序式添加和自動校正等多種工作模式，并可以提供以泵出流體總量，剩余沖程次數和待輸送流體容量，設定沖程長度和其它相關的排污泵工作參數等有用信息。
時間序列觸發(fā)程序式工作方式令排污泵完全依據(yī jù)實時時鐘，按預先規(guī)劃的任務清單(detailed list)，在指定時刻按設定的沖程次數或時間定量添加工作介質，時間可以以每小時，天，工作日，公休日，一周和二周為周期靈活設定;而事件序列觸發(fā)程序式工作方式令排污泵完全依據實時觸發(fā)事件，按預先規(guī)劃的任務清單，在特定事件發(fā)生時(觸點輸入)按設定的沖程次數或時間定量添加工作介質。以上兩種方式可以有機混合，完成更復雜的時間-事件混合觸發(fā)工作模式(pattern)。最多可設定81個事件。
一個簡單的例子是冷卻塔(The cooling tower)循環(huán)水消毒滅藻系統(tǒng)。上海凱泉泵業(yè)集團有限公司性能的技術參數有流量、吸程、 揚程、軸功率、水功率、效率等；根據不同的工作原理可分為 容積水泵、葉片泵等類型。 容積泵是利用其工作室容積的變化來傳遞能量； 葉片泵是利用回轉葉片與水的相互作用來傳遞能量，有 離心泵、 軸流泵和 混流泵等類型。消毒劑以特定濃度根據補充水流量比例添加;并按工藝要求，在比例添加過程當中，每周還應脈沖式大劑量添加一次消毒劑(如設定在周五12-13時)，并要求此時暫停比例添加作用。整個編程十分簡捷，令復雜多變的流體添加任務得以輕松而精確地實現。
3.4、現場總線GOOGLE PRoFibus控制方式方法
在石油化工等大規(guī)模高自動化成度的應用場合，利用數字通訊協(xié)議進行自動化設備(shèbèi)之間數據的高速傳輸進而組成網絡式控制（control)系統(tǒng)(system)，容量大，可靠性高，已成為發(fā)展的主流。繼二十世紀九十年代初被納入德國DIN標準后，現場總線GOOGLE PRoFibus于九十年代末又成為歐洲標準(EN50170)，在世界范圍內得到廣泛采用，已成為現場總線技術中代表性協(xié)議之一。
現場總線GOOGLE PRoFibus由三種形勢組成。上海凱泉泵業(yè)集團有限公司是輸送液體或使液體增壓的機械。它將原動機的 機械能或其他外部能量傳送給液體，使液體能量增加，主要用來輸送液體包括 水、油、酸堿液、 乳化液、懸乳液和 液態(tài)金屬等，也可輸送液體、氣體混合物以及含懸浮固體物的液體。ProFibus-DP，ProFibus-PA和ProFibus-FMS。其中 ProFibus-DP(Decentralized Periphery)定義為分散型外圍設備現場總線，系專門為過程控制（control)系統(tǒng)(system)與分散的外圍設備之間高速數據信息交換而設計的。其傳輸介質為雙絞線或光纖聯(lián)接的RS485傳輸制式，波特率9.6-12Mb/s，系統(tǒng)構成成本低，高速可靠。
現場總線GOOGLE PRoFibus指令集精簡凝練，編程非常方便。具有現場總線ProFibus通訊功能的排污泵，在具有所有手動調節(jié)功能的同時，可以方便地溶入高級的如集散式計算機控制系統(tǒng)中，使其各種功能得以更充分地發(fā)揮，已經成為現代精密排污泵的佼佼者。普羅名特公司排污泵家族中即有三大系列數十個型號的產品配置了現場總線功能。
四、結束語
今天，排污泵的研發(fā)已經超越了其傳統(tǒng)意義上單純追求容量和材料品質的范疇，轉而面向高精度，多功能和智能化的發(fā)展方向，這一趨勢已經成為世界主要排污泵生商的共識。